后锚固技术在大型水电机组加固处理中的应用

王永洪

摘要：大型水电站发电机多采用埋入混凝土的锚杆螺栓作为定子机座与混凝土的连接部件。由于锚杆螺栓设计承载力不足或材质不达标，直接造成锚杆螺栓实际许用应力降低，使发电机定子机座受力状况恶化，给机组的安全稳定运行带来极大隐患，特别是使应对事故工况的能力急剧变差。而且，在投产发电后，由于施工条件的限制，加强定子基础受力的施工难度极大。提出了采用增加化学植筋加固的方法对发电机定子基础板进行加固处理，即基于投产发电后的机组所具备的处理条件选择的一种切合实际的处理方法。介绍了后锚固方案的制定和新植筋螺杆及其承力附件性能的检验。在国内某大型电站的应用实例表明，该方法能够彻底消除锚杆螺栓断裂对机组安全稳定运行的影响，机组开机运行情况良好，各部件振动情况良好，达到了预期的效果。

关键词：后锚固;化学植筋;新植螺杆;锚杆螺栓;发电机

中图法分类号：TV223.34

文献标志码：A

DOI： 10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.07.011

大型水电机组发电机定子机座基础板锚杆螺栓的作用是将来自定子的切向力、径向力及轴向力传递给混凝土基础，对水轮发电机组应对发电机半数磁极短路、两相短路、120°非同期等事故工况起着至关重要的作用。该锚杆螺栓多采用含铬的高强度钢制螺栓，具有良好的硬度、屈服强度、抗拉强度和冲击吸收能量等。但在设计、制造、安装及运行维护各个环节出现问题时，都可能造成锚杆螺栓许用应力降低，定子机座基础板承载力不足等情况，对机组安全稳定运行造成不良影响。特别是在机组投产发电后，对定子机座基础板的加固处理受混凝土钢筋网、施工空间和工期等因素的限制，施工难度极大。为提升定子机座的受力状态，必须突破常规设计，采用全新的方法进行加固处理。

1 研究背景

后锚固技术是指通过相关技术手段在既有混凝土结构上的锚固[1]。该技术具有在原结构基础上加固改造，施工周期快，目标设计性能好以及费用大幅度降低等优点[2]，适用于已投产发电后的水电机组加固处理。以化学锚固胶为胶粘剂，将带肋或全螺纹螺杆胶结固定于混凝土基材锚孔中的一种后锚固生根钢筋或螺杆称为化学植筋[3]。采用化学植筋的方式对定子机座基础板进行加固处理，是一种简单、高效且安全、可靠的处理方式。植筋新技术是运用高强度的化学粘合剂，使钢筋、螺杆等与混凝土产生锚固力。同时，根据施工条件，结合扩展基础板或利用原有基础板，实现定子机座与化学植筋有效连接，从而达到预紧效果。植筋加固一般分为定位、钻孔、清孔、注胶、植筋、养护锚固和预紧七大步骤。

采用化学植筋方式，首先应掌握化学植筋的破坏形式。化学植筋连接的破坏类型包括：化学植筋钢材破坏、胶结剂破坏和混凝土基材破坏[4]。植筋钢材破坏主要是指被拉断、剪断或复合受力破坏。控制此类破坏的方式是在设计之初即要选用符合受力要求的钢材，工程应用中，在使用之前应对植筋钢材进行化学成分分析、力学性能试验和金相检验等，以检验材质是否符合标准要求。胶结剂破坏属于脆性破坏，分为胶筋界面破坏和胶混界面破坏两类。防止胶筋界面破坏的有效途径是采用质量有保障的化学锚固胶，确保钢材与胶体之间的粘结力远大于钢材的受拉承载力;防止胶混界面破坏主要是在植筋成孔时，做好清孔 、干燥等技术措施，保证胶体与基材之间的粘结力。混凝土基材破坏形式分为化学植筋受拉时以基材上部混凝土椎体及深部粘结拔出的混合型破壞、基材边缘劈裂破坏和化学植筋受剪时形成以植筋轴为顶点的一定深度的楔形体破坏。混凝土基材破坏形式属于脆性破坏。第一类破坏形式主要需要控制植入钢筋受拉区的总的受拉设计值不大于混凝土椎体破坏受拉承载力;基材边缘的劈裂破坏主要是由于植入钢材在基材上的布置不当和施工不当造成的，因此需要在受拉区配置能够限制裂缝的钢筋以及确保钢筋离基材的边缘构造厚度;第三类的破坏形式主要是由于钢筋在构件边缘受剪，混凝土沿楔形体破坏，目标设计应控制混凝土的受剪承载力大于受剪设计值[2]。

植筋拉伸试验分非破坏性和破坏性试验两类，试验要求应按照GB 50367-2013《混凝土结构加固设计规范》[3]的规定，并结合实际情况进行检验试验。

2 后锚固方案制定

2.1 直接植筋加扩展基础板

在原有定子机座基础板平面周向，凿除一定厚度的混凝土直至露出混凝土基础上层环筋，利用地质探伤仪充分探明下部钢筋网及预埋管路布置，根据设计方案避开混凝土钢筋网及预埋管路，利用水钻在混凝土上钻孔，直径和深度满足设计要求。扩展基础板放置于凿除后的混凝土表面，根据水钻钻孔位置确定扩展板开孔位置，采用对边焊接方式与原基础连接。植筋螺杆下部与混凝土连接，上部与扩展基础板连接，采用六方螺母的形式，利用力矩扳手进行预紧，实现基础板加固处理。该方案施工难度小、进度快，但由于植筋螺杆下部完全固化，弹性模量仅存在于混凝土以上部位，在机组事故工况下可能存在基础螺杆弹性储备不足引发植筋螺杆断裂事故。同时，扩展基础板的焊接由于热传导作用，会削弱胶的化学品质和锚固能力。

扩展基础板的焊接应做到焊前预热温度不低于80℃。先用氩弧焊打底，然后手工电弧焊进行焊接，采用小电流由中间向两端焊接。焊接过程中，用百分表监测加固钢板焊接变形，并采用锤击消除焊接应力。焊接完成后进行焊缝PT探伤检查。为消除扩展基础板焊接时对植筋胶的影响，可采用增加过渡段、利用液体降温和降低焊接速度等方法减少焊接热传导对植筋胶的影响。

2.2 间接植筋加扩展基础板

基础板布置方式、水钻钻孔方式均与2.1节相同，不同的是植筋螺杆长度减小，且对原有植筋螺杆与扩展板的连接方式进行优化。在植筋螺杆的上部设计螺纹转换接头，接头两端分别连接植筋螺杆和拉伸螺杆，采用圆螺母利用液压拉伸器对拉伸螺杆进行预紧。此种方案植筋螺杆作为基础锚杆使用，螺纹连接的转换接头及拉伸螺杆在机组运行中起到弹性储备作用，提高各类工况下来自定子机座的承载力。布置示意图见图1。

2.3 在原有基础板上间接植筋

不采用扩展基础板，直接在原定子机座基础板上钻孔，原基础板以下混凝土仍采用水钻方式钻孔。间接植筋方式与2.2节相同。此种植筋方式可完全避开混凝土钢筋网，基础板的受力情况也最好。同时，降低原有基础板螺栓预紧力，使原有基础板螺栓预紧力与新增的化学植筋螺栓预紧力接近，从而保证增加螺栓后各个基础螺栓受力均匀，具有相同的弹性。布置示意图见图2、图3。

3 新植筋螺杆及其承力附件性能检验

为避免植筋钢材破坏情况的发生，在植筋开始前需要对新植筋螺杆及其承力附件进行化学成分分析、力学性能试验及金相检验，以检验新部件满足使用要求。

3.1 化学成分分析

在同批次的新件上取样，对试样进行化学成分分析，结果见表1。由表1可见，该新植筋螺杆和拉伸螺杆各元素含量均符合GB T3077-2015《合金结构钢》对42CrMo钢成分的技术要求。

3.2 硬度试验

在同批次中任选各1件进行硬度试验，结果见表2。可见植筋螺杆及拉伸螺杆的硬度均符合GB-T 3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中的技术要求。

3.3 金相检验

分别从新植筋螺杆和拉伸螺杆同批次的新件上取样，试样经打磨、抛光和腐蚀后在显微镜下进行观察，图4是新植筋螺杆的基体显微组织形貌，图5是拉伸螺杆的基体显微组织形貌。由图可见，新植筋螺杆的基体显微组织为马氏体回火组织+贝氏体+微量铁素体，其中铁素体在靠近边缘约6mm位置，拉伸螺杆的基体显微组织为马氏体回火组织+贝氏体。新植筋螺杆虽有微量铁素体存在，但其位置在螺杆边沿且存量微小，不影响螺杆整体性能，因此新植筋螺杆及拉伸螺杆的金相结果符合要求。

3.4 力学性能试验

随机抽取新植筋螺杆和拉伸螺杆，加工成标准试样棒，进行一系列力学性能试验，结果见表3。可见新植筋螺杆和拉伸螺杆的抗拉强度、规定塑性延伸强度、断后延伸率、断面收缩率、冲击吸收能量均符合GB-T 3098.1-2010《紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱》中的相关技术要求。

4 施工案例

国内某大型电站，在机组检修期间发现个别定子机座基础板锚杆螺栓断裂，后通过化学植筋后锚固技术，成功解决此问题，为发电机长期安全稳定运行提供可靠保障。具体处理方式如下。

4.1 降低原基础板锚杆螺栓预紧力

（1）用液压拉伸器采用渐进升压方式拉伸锚杆螺栓，拉伸器最大油压不得超过原预紧力对应的油压值，防止螺栓被拉断。

（2）按照20%、50%、75%和100%预紧力分4步重新对松开的锚杆螺栓进行预紧。

（3）对重新预紧完成的锚杆螺栓立即进行超声波探伤，检查是否存在断裂的情况。

4.2 新增植筋位置基础板钻孔 用磁力钻在基础板标记好的位置上进行钻孔，钻孔时应保持磁力钻垂直稳固放置，确保钻出的孔垂直度满足要求。

4.3 新增植筋位置混凝土钻孔

（1）用地质探伤仪对需钻孔位置周边进行探测，根据探测结果确定钻孔位置下方埋件情况，防止钻孔伤及其他设备。

（2）根据螺栓锚固位置、成孔直徑及锚固深度，采用水钻进行混凝土钻孔工作。水钻设备应垂直稳固放置，确保钻出的孔垂直度满足要求。

（3）钻孔完成，用清水将孔内泥浆冲刷干净，用棉丝将孔擦净。完成后用棉丝沾酒精，清刷孔洞内壁，使孔洞内清洁干燥。如遇潮湿情况，还须用加热棒进行干燥处理。

（4）对清洁后的孔洞严密封堵，防止灰尘及异物落人。

4.4 螺杆埋植

（1）钢筋锚固用胶按比例配制且搅拌均匀。

（2）将锚固用胶注入孔内2/3即可。将处理好的钢筋除锈清理端朝向孔洞，一边向同一方向旋转，一边缓慢将钢筋插入洞内，直至到达孔洞底部为止。此时，如无锚固用胶从洞内溢出，说明注胶量不够，须将钢筋拔出，重新注胶，再次插入钢筋，直至能使胶溢出洞口。植筋过程中应注意孔内胶体化学反应产生的气体能有效排出，否则可能出现锚固螺杆插入深度不足的情况。

（3）对已埋植好的钢筋要做好保护工作，如挂明显标志牌等。以防止锚固用胶在固化时间内，钢筋被摇摆动或碰撞，影响埋植效果。

4.5 固化养护

根据环境温度的不同，固化养护时间可参考表4。

4.6 新植筋螺栓预紧

依次安装延伸螺杆、垫圈和圆螺母等附件.采用液压拉伸器按照20%、50%、75%和100%预紧力分4步重新对松开的锚杆螺栓进行预紧。

5 结语

采用上述方案完成定子机座基础板加固工作后，机组开机运行情况良好，各部件振动情况良好，达到了预期的效果。后锚固植筋技术应用于大型水电机组投运后的加固处理，获得了很好的效果，为后锚固技术进一步应用到水电领域中积累了经验。后锚固植筋技术具有效率高、对结构破坏面损伤小等优点，在今后的实践中结合理论运用，在设计布置、方案选型、施工组织等方面进一步优化，建立针对水电机组不同部位的锚固方法，以降低机组投运后基础部件加固处理的施工难度。

参考文献：

[1] JGJ145-2014混凝土结构后锚固技术规程[S].

[2]王鸿斌，向林林，杨俊骁，等.后锚固技术在工程中的应用[J].山西建筑，2016，42（13）：38-40.

[3] GB50367-2013混凝土结构加固设计规范[S].

[4]王文栋，混凝土结构构造手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2013：810-834.